C# 執行緒同步查漏補缺

鵝群中的鴨霸發表於2023-02-02
C#執行緒

同步構造

當執行緒 A 在等待一個同步構造，另一個執行緒 B 持有構造一直不釋放，那麼就會導致執行緒 A 阻塞。同步構造有使用者模式構造和核心模式構造。

  • 使用者模式構造透過 CPU 指令來協調執行緒，所以速度很快。也意味著不受作業系統控制，所以等待構造的執行緒會不停自旋，浪費 CPU 時間。
  • 核心模式構造透過作業系統來協調執行緒。核心構造在獲取時，需要先轉換成本機程式碼，在轉換成核心程式碼，返回時則需要反方向再轉換一次，所以速度會比使用者構造慢很多。
    因為使用了作業系統來協調執行緒，所以也有了更加強大的功能。
    1. 不同執行緒在競爭一個資源時，作業系統會阻塞執行緒，所以不會自旋。
    2. 可以實現託管執行緒和本機執行緒的同步。
    3. 可以跨程式跨 domain 同步。
    4. 可以利用 WaitHandle 類的方法實現多個構造的同步或者超時機制。

活鎖和死鎖：
當執行緒獲取不到資源，從而不停在 CPU 上自旋等待資源，就會形成活鎖。這是透過使用者構造實現的。
當執行緒獲取不到資源，被作業系統阻塞，就會形成死鎖。這是透過核心構造實現的。

使用者模式構造

.Net 提供了兩種使用者構造，易變構造 Volatile、互鎖構造 Interlocked，這兩種構造都提供了原子性讀寫的功能。
.Net 提供了基於易變構造、互鎖構造、SpinWait 實現的自旋鎖 SpinLock。

原子性讀寫：
在 32 位 CPU 中，CPU 一次只能儲存 32 位的資料，所以如果是 64 位的資料型別（如 double），就得執行兩次 MOV 指令，所以在 32 位 CPU 和 32 位作業系統中，不同執行緒對 64 位的資料型別進行讀寫可能得到不同的結果。原子性讀寫就是保證了即使是 64 位的資料型別，不同執行緒讀寫也會得到相同的結果。現在的 CPU 和作業系統基本都是 64 位的，所以一般也不會遇到這種問題。

易變構造 Volatile 和 volatile 關鍵字

Volatile 一般用於阻止編譯器程式碼最佳化，編譯器最佳化程式碼會最佳化掉一些在單執行緒情況下無用的變數或者語句，在多執行緒程式碼下有時候會導致程式執行結果跟設計的不一樣。
Volatile.Read() 強制對變數的取值必須在呼叫時讀取，Volatile.Write() 強制對變數的賦值必須在呼叫時寫入。

/// <summary>
/// 在 debug 模式下不開啟程式碼最佳化，所以需要用 release 模式下生成。
/// 執行 dotnet build -c release --no-incremental 後執行程式碼，如果沒有標記為易變，則不會列印 x。
/// </summary>
public void Test2()
{
    var switchTrue = false;

    var t = new Thread(() =>
    {
        var x = 0;
        while (!switchTrue) // 如果沒有標記變數為易變，編譯器會把 while(!switchTrue) 最佳化為 while(true) 從而導致永遠不會列印出 x 的值
        //while (!Volatile.Read(ref switchTrue)) // 標記為易變，可以保證在呼叫時才進行取值，不會進行程式碼最佳化。
        {
            x++;
        }
        Console.WriteLine($"x: {x}");
    });
    t.IsBackground = true;
    t.Start();

    Thread.Sleep(100);
    switchTrue = true;
    Console.WriteLine("ok");
}

互鎖構造 Interlocked

  1. Interlocked 除了保證原子性讀寫外，還提供了很多方便的方法，在呼叫的地方建立了記憶體屏障，所以可以用來實現各種鎖。
/// <summary>
/// 用 Interlocked 實現一個簡單的自旋鎖
/// 注意：
/// 1. 自旋鎖在獲取不到鎖的時候，會進行空轉。所以在自旋的時候，會佔用 CPU，所以一般不在單 CPU 機器上用。
/// 2. 當佔有鎖的執行緒優先順序比獲取鎖的執行緒更低的時候，會導致佔有鎖的執行緒一直獲取不到CPU進行工作，從而無法釋放鎖，導致活鎖。
///    所以使用自旋鎖的執行緒，應該禁用執行緒優先順序提升功能。
/// </summary>
public class SimpleSpinLock
{
    private int _count;
    public void Enter()
    {
        while (true)
        {
            if (Interlocked.Exchange(ref _count, 1) == 0)
            {
                return;
            }
        }
    }

    public void Exit()
    {
        Volatile.Write(ref _count, 0);
    }
}
  1. Interlocked 也經常用來實現單例模式。實現單例模式經常用 lock 關鍵字和雙檢索模式的，但我都是用 Interlocked 或者 Lazy，因為更輕量程式碼也簡單。
/// <summary>
/// 使用 Interlocked 實現的單例，輕量且簡單。
/// 可能會同時呼叫多次建構函式，所以適合建構函式沒有副作用的類
/// </summary>
internal class DoubleCheckLocking3
{
    private static DoubleCheckLocking3? _value;

    private DoubleCheckLocking3()
    {

    }

    private DoubleCheckLocking3 GetInstance()
    {
        if (_value != null) return _value;
        Interlocked.CompareExchange(ref _value, new DoubleCheckLocking3(), null);
        return _value;
    }
}

/// <summary>
/// 使用 lock 和雙檢索實現的單例化
/// </summary>
internal class DoubleCheckLocking
{
    private static DoubleCheckLocking? _value;

    private static readonly object _lock = new();

    private DoubleCheckLocking()
    {

    }

    public static DoubleCheckLocking GetInstance()
    {
        if (_value != null) return _value;
        lock (_lock)
        {
            if (_value == null)
            {
                var t = new DoubleCheckLocking();
                Volatile.Write(ref _value, t); 
            }
        }
        return _value;
    }
}

自旋鎖 SpinLock

.Net 提供了一個輕量化的同步構造 SpinLock，很適合在不常發生競爭的場景使用。如果發生競爭了，會先在 CPU 上自旋一段時間，如果還不能獲取到資源，就會讓出 CPU 控制權給其他執行緒（使用 SpinWait 實現的）。

  1. SpinLock 不支援重入鎖，當給建構函式 SpinLock(bool) 傳入 true 時，重入鎖會丟擲異常，否則就會死鎖。

重入鎖（Re-Enter）: 就是一個執行緒呼叫了 SpinLock.Enter() 後，沒有呼叫 SpinLock.Exit()，再次呼叫了 SpinLock.Enter()。

/// <summary>
/// 測試 SpinLock 重入鎖
/// </summary>
public void Test3()
{
    var spinLock = new SpinLock(true); // 如果傳 true，如果 SpinLock 重入鎖，就會丟擲異常，傳 false 則不會，只會死鎖。

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => DoWork());

    void DoWork()
    {
        var lockTaken = false;

        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            try
            {
                Thread.Sleep(100);
                if (!spinLock.IsHeldByCurrentThread)  // SpinLock.IsHeldByCurrentThread 可以判斷是不是當前執行緒擁有鎖，如果是就不再獲取鎖
                {
                    Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 獲取鎖，i 為 {i}");
                    spinLock.Enter(ref lockTaken);
                }
                //spinLock.Enter(ref lockTaken); // 重入鎖會死鎖

            }
            catch (Exception e)
            {
                Console.WriteLine(e);
            }
        }

        if (lockTaken) // 使用 lockTaken 來判斷鎖是否已經被持有
        {
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 釋放鎖");
            spinLock.Exit();
        }
        Console.WriteLine("結束");
    }
}
  1. SpinLock 是 Struct 型別的，所以注意裝箱拆箱。
/// <summary>
/// 測試裝箱拆箱問題
/// </summary>
public void Test4()
{
    var spinLock = new SpinLock(false);
    Task.Run(() => DoWork(ref spinLock));
    Task.Run(() => DoWork(ref spinLock));

    // SpinLock 是 Struct 型別，要注意裝箱拆箱的問題，試試看不加 ref 關鍵字的效果
    void DoWork(ref SpinLock spinLock)
    {
        var lockTaken = false;
        Thread.Sleep(500);
        spinLock.Enter(ref lockTaken);
        Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 獲取鎖");
    }
}

核心模式構造

WaitHandle

.Net 提供了 System.Threading.WaitHandle 和 WaitHandle 的子類來支援核心構造，WaitHandle 封裝核心同步構造的控制程式碼，並且提供了操作的方法，並且每個方法都會在呼叫處建立記憶體屏障。

WaitHandle 有以下實現類，這些類定義了一個訊號機制，根據訊號去釋放執行緒或者阻塞執行緒，用於在多執行緒的場景下訪問共享資源：
WaitHandle：抽象基類，封裝了系統核心構造的控制程式碼。繼承自 MarshalByRefObject，所以可以跨程式和 domain 邊界。

  • EventWaitHandle：事件構造。由核心維護了一個 bool 變數，為 false 阻塞執行緒，為 true 時釋放執行緒。
    • AutoResetEvent：自動重置事件構造。呼叫 AutoResetEvent.Set() 每次只釋放一個阻塞執行緒。
    • ManualResetEvent：手動重置事件構造。呼叫 ManualResetEvent.Set() 會釋放所有阻塞執行緒，並且不會有阻塞執行緒的功能，需要呼叫 ManualResetEvent.ReSet() 才能再次阻塞執行緒。
  • Semaphore：訊號量。由核心維護了一個 Int32 變數，為當值為 0 時，阻塞執行緒，呼叫 Semaphore.Release() 會把變數加 1，呼叫 WaitHandle.WaitOne() 會把變數減 1。
  • Mutex：互斥體。功能跟 Semaphore(1) 和 AutoResetEvent 類似，一次只能釋放一個執行緒。

WaitHandle 有以下常用方法：

  • WaitHandle.WaitOne() 虛方法，等待一個同步構造。
  • WaitHandle.WaitAll() 等待一組同步構造全部解除阻塞。
  • WaitHandle.WaitAny() 等待一組同步構造中的一個解除阻塞。
  • WaitHandle.SignalAndWait(WaitHandle x, WaitHandle y) 傳入兩個同步構造，解除第一個構造的阻塞，等待第二個構造。
public class WaitHandleDemo
{
    /// <summary>
    /// 測試 WaitHandle.WaitAll()， 成功執行返回 true, 支援超時，當超時時，返回 false
    ///  WaitHandle.WaitAny()， 成功執行返回對應的 索引，支援超時，當超時時，返回 WaitHandle.WaitTimeout
    /// </summary>
    public void Test()
    {
        var waitHandleList = new WaitHandle[] { new AutoResetEvent(false), new AutoResetEvent(false) };

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[0]);
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[1]);
        var timeout = WaitHandle.WaitAll(waitHandleList);
        Console.WriteLine($"是否超時：{!timeout}，WaitHandle.WaitAll() 結束");

        Thread.Sleep(500);

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[0]);
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[1]);
        timeout = WaitHandle.WaitAll(waitHandleList,1000);
        Console.WriteLine($"是否超時：{!timeout}，WaitHandle.WaitAll() 結束");

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[0]);
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[1]);
        var index = WaitHandle.WaitAny(waitHandleList);
        Console.WriteLine($"{index} 已經結束執行，WaitHandle.WaitAny() 結束");

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[0]);
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(DoWork, waitHandleList[1]);
        index = WaitHandle.WaitAny(waitHandleList, 1000);
        Console.WriteLine($"是否超時：{WaitHandle.WaitTimeout == index}，WaitHandle.WaitAny() 結束");
        

        void DoWork(object? state)
        {
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 開始");

            var r = new Random();
            var interval = 1000 * r.Next(2, 10);
            Thread.Sleep(interval);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 結束");

            ((AutoResetEvent)state).Set();
        }
    }

    /// <summary>
    /// 測試 WaitHandle.SignalAndWait()， 成功執行返回 true, 支援超時，當超時時，返回 false
    /// </summary>
    public void Test2()
    {
        var are = new AutoResetEvent(false);
        var are2 = new AutoResetEvent(false);

        foreach (var i in Enumerable.Range(1,5))
        {
            Console.WriteLine($"按下 Enter 啟動執行緒 {i}");
            Console.ReadLine();
            var t = new Thread(DoWork)
            {
                Name = $"執行緒 {i}"
            };
            t.Start();
            WaitHandle.SignalAndWait(are, are2); // 給 are 發訊號，同時等待 are2
        }

        Console.WriteLine("全部執行緒執行結束");

        void DoWork()
        {
            are.WaitOne();
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 開始");
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 結束");
            are2.Set();
        }
    }
}

EventWaitHandle、ManualResetEvent、AutoResetEvent、ManualResetEventSlim

EventWaitHandle、ManualResetEvent、AutoResetEvent 是核心同步構造，EventWaitHandle 由核心維護了一個 bool 變數，為 false 的時候阻塞執行緒，為 true 的時候釋放執行緒。ManualResetEvent、AutoResetEvent 繼承自 EventWaitHandle，所以擁有一樣的行為，同時可以跨程式跨 domain 通訊。
ManualResetEventSlim 並不繼承自 EventWaitHandle，只是功能跟 ManualResetEvent、AutoResetEvent 一樣的混合同步構造，使用使用者構造和核心構造混合實現，遇到競爭的情況，會先自旋一下，還無法獲取到資源，再使用核心構造阻塞執行緒，所以有更好的效能。

  1. EventWaitHandle 一般在建構函式中傳入 name，用來跨程式或者跨 domain 通訊。
/// <summary>
/// 測試 EventWaitHandle 跟其他執行緒通訊
/// </summary>
public void Test2()
{
    EventWaitHandle ewh;
    if (EventWaitHandle.TryOpenExisting("multi-process", out ewh))
    {
        Console.WriteLine("等待 EventWaitHandle");
        ewh.WaitOne();
        Console.WriteLine("結束執行");
    }
    else
    {
        ewh = new EventWaitHandle(false, EventResetMode.AutoReset, "multi-process");
        while (true)
        {
            Console.WriteLine("按下 Enter 跟其他執行緒通訊");
            Console.ReadLine();
            ewh.Set();
        }
    }
}
  1. ManualResetEvent 呼叫完 ManualResetEvent.Set() 後會釋放所有阻塞執行緒，如果需要再次阻塞執行緒，需要呼叫 ManualResetEvent.Reset()。
/// <summary>
/// 測試 ManualResetEvent.Set() 和 ManualResetEvent.Reset()
/// </summary>
public void Test1()
{
    var mre = new ManualResetEvent(false);

    foreach (var i in Enumerable.Range(1, 3))
    {
        StartThread(i);
    }
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("按下 Enter 呼叫 Set()，釋放所有執行緒");
    Console.ReadLine();
    mre.Set();
    Thread.Sleep(500);

    Console.WriteLine("ManualResetEvent 內部值為 true 時，不會阻塞執行緒。按下 Enter 啟動一個新執行緒進行測試");
    Console.ReadLine();

    StartThread(4);
    Thread.Sleep(500);

    Console.WriteLine("按下 Enter 呼叫 Reset()，可以再次阻塞執行緒");
    Console.ReadLine();
    mre.Reset();
    Thread.Sleep(500);


    foreach (var i in Enumerable.Range(5, 2))
    {
        StartThread(i);
    }
    Thread.Sleep(500);

    Console.WriteLine("按下 Enter 呼叫 Set()，釋放所有執行緒，結束 demo");
    Console.ReadLine();
    mre.Set();
    Thread.Sleep(500);

    void StartThread(int i)
    {
        var t = new Thread(() =>
        {
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 啟動並呼叫 WaitOne()");
            mre.WaitOne();
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 結束執行");
        })
        {
            Name = $"執行緒_{i}"
        };
        t.Start();
    }
}
  1. AutoResetEvent 每次呼叫 AutoResetEvent.Set() 都只會釋放一個阻塞的執行緒。
public void Test()
{
    var are = new AutoResetEvent(false);

    Task.Run(() =>
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Thread.Sleep(500);
            Console.WriteLine("按下 Enter 釋放一個執行緒");
            Console.ReadLine();
            are.Set();
        }
    });

    foreach (var i in Enumerable.Range(1,5))
    {
        var t = new Thread(DoWork);
        t.Name = $"執行緒 {i}";
        t.Start();
    }

    void DoWork()
    {
        Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 開始");
        are.WaitOne();
        Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 結束");
    }
}

Semaphore、SemaphoreSlim

Semaphore 是一個核心構造，由核心維護了一個 Int32 變數，為當值為 0 時，阻塞執行緒，呼叫 Semaphore.Release() 會把變數加 1，呼叫 WaitHandle.WaitOne() 會把變數減 1。
SemaphoreSlim 是一個混合構造，功能跟 Semaphore 一致，使用使用者構造和核心構造混合實現，遇到競爭的情況，會先自旋一下，還無法獲取到資源，再使用核心構造阻塞執行緒，所以有更好的效能。

  1. 使用 Semaphore 釋放多個執行緒。
/// <summary>
/// 測試 Semaphore
/// </summary>
public void Test4()
{
    var pool = new Semaphore(1, 3); // 初始化計數 1，最大計數 3

    foreach (var i in Enumerable.Range(1, 5))
    {
        var t = new Thread(DoWork);
        t.Name = $"執行緒 {i}";
        t.Start();
    }

    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("按下 Enter 釋放 3 個執行緒");
    Console.ReadLine();
    pool.Release(3); // 計數加3
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("再按下 Enter 釋放 1 個執行緒");
    Console.ReadLine();
    pool.Release(); // 計數加1

    void DoWork()
    {
        Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 開始");
        pool.WaitOne(); // 計數減1
        Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.Name} 結束");
    }
}
  1. Semaphore 繼承自 WaitHandle，所以在建構函式中傳入 name 可以跨程式跨 domain 同步。把 Semaphore 的最大計數設定為 1，可以實現跟 AutoResetEvent 一樣每次只解除一個阻塞執行緒的行為。
/// <summary>
/// 測試跟其他程式通訊
/// </summary>
public void Test5()
{
    Semaphore pool;
    if (Semaphore.TryOpenExisting("multi-process", out pool))
    {
        Console.WriteLine("等待 Semaphore");
        pool.WaitOne();
        Console.WriteLine("結束");
    }
    else
    {
        pool = new Semaphore(0, 1, "multi-process"); // 最大計數設定為 1，每次只解除一個阻塞。

        while (true)
        {
            Console.WriteLine("按下 Enter 跟其他執行緒通訊");
            Console.ReadLine();
            pool.Release();
        }
    }
}

Mutex

Mutex 是一個核心構造，經常用於程式同步（如保證只有程式只能有一個程式）。功能跟 AutoResetEvent(false) 和 Semaphore(0,1) 類似，每次只能阻塞一個執行緒或者程式。
Mutex 跟 EventWaitHandle 和 Semaphore 不一樣的地方是，Mutex 要求執行緒一致（也就是獲取和釋放都必須在同一個執行緒），並且支援重入鎖。

/// <summary>
/// Mutex 支援重入鎖，支援執行緒一致
/// </summary>
public void Test()
{
    var mutex = new Mutex(false);
    var count = 0;
    DoWork(mutex);

    void DoWork(Mutex mutex)
    {
        try
        {
            mutex.WaitOne();
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 獲取 Mutex");
            Interlocked.Increment(ref count);
            Thread.Sleep(1000);
            if (Interlocked.CompareExchange(ref count, 3, 3) == 3)
            {
                return;
            }
            DoWork(mutex);
        }
        finally
        {
            mutex.ReleaseMutex(); // 呼叫幾次 WaitOne() 就必須呼叫幾次 ReleaseMutex()，並且呼叫 WaitOne() 和 ReleaseMutex() 必須在同一個執行緒。
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 釋放 Mutex");
        }
    }
}

使用者模式構造、核心模式構造效能對比

從上面可以看出，.Net 核心構造功能比使用者構造強大得多，所以看起來似乎直接使用核心構造，而不使用使用者模式構造更加明智。
但是使用者構造會比核心構造快，所以在不常發生競爭或者效能敏感的場景下，使用使用者構造會是一個更加優秀的做法。接下來用一個沒有競爭的空方法測試一下快多少。

internal class PerformanceDemo
{
    /// <summary>
    /// 測試使用者模式構造和核心模式構造，在鎖沒有發生競爭的情況下的效能差距
    /// </summary>
    public void Test()
    {
        var count = 1000 * 10000;
        var spinLock = new SpinLock(false);
        var are = new AutoResetEvent(true);
        var pool = new Semaphore(1, 1);

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        foreach (var _ in Enumerable.Range(0, count))
        {
            var lockTaken = false;
            spinLock.Enter(ref lockTaken);
            DoWork();
            spinLock.Exit(lockTaken);
        }
        Console.WriteLine($"在沒有競爭的場景下，執行一個空方法一千萬次，SpinLock 耗時：{sw.ElapsedMilliseconds} ms");

        sw.Restart();
        foreach (var _ in Enumerable.Range(0, count))
        {
            are.WaitOne();
            DoWork();
            are.Set();
        }
        Console.WriteLine($"在沒有競爭的場景下，執行一個空方法一千萬次，AutoResetEvent 耗時：{sw.ElapsedMilliseconds} ms");

        sw.Restart();
        foreach (var _ in Enumerable.Range(0, count))
        {
            pool.WaitOne();
            DoWork();
            pool.Release();
        }
        Console.WriteLine($"在沒有競爭的場景下，執行一個空方法一千萬次，Semaphore 耗時：{sw.ElapsedMilliseconds} ms");

        // 空方法
        void DoWork()
        {

        }
    }
}
// 輸出：
// 在沒有競爭的場景下，執行一個空方法一千萬次，SpinLock 耗時：184 ms
// 在沒有競爭的場景下，執行一個空方法一千萬次，AutoResetEvent 耗時：5449 ms
// 在沒有競爭的場景下，執行一個空方法一千萬次，Semaphore 耗時：5366 ms

最終在我的機子上測試，在沒有發生競爭的場景下，.NET 提供的使用者構造效能是核心構造的 30 倍，所以效能差距還是非常大的。

混合構造

使用者構造在遇到競爭，在長時間獲取不到資源的場景，會一直在 CPU 上自旋，既浪費 CPU 時間，又耽誤其他執行緒執行，核心構造在作業系統的協調下，會把獲取不到資源的執行緒阻塞，不會浪費 CPU 時間。
核心構造在沒有競爭的場景下，效能會比使用者構造差幾十倍。
混合構造就是組合使用者構造和核心構造的實現，遇到競爭的時候，先使用使用者構造自旋一下，自旋一段時間還沒獲取到資源，就使用核心構造阻塞執行緒，這樣就能結合兩種構造的優點了。
.Net 提供了 ManualResetEventSlim、SemaphoreSlim、Monitor、lock 關鍵字、ReaderWriterLockSlim、CountDownEvent、Barrier 等混合構造，可以在不同的場景下使用。

自定義一個簡單的混合構造

透過這個例子可以瞭解一下是怎麼組合核心構造和使用者構造的。

/// <summary>
/// 一個簡單的混合構造，組合 AutoResetEvent 和 Interlocked 實現
/// </summary>
internal class SimpleHybridLock : IDisposable
{
    private int _waiter;
    private AutoResetEvent _waiterLock = new(false);


    public void Enter()
    {
        if (Interlocked.Increment(ref _waiter) == 1)
        {
            return;
        }

        _waiterLock.WaitOne();
    }

    public void Exit()
    {
        if (Interlocked.Decrement(ref _waiter) == 0)
        {
            return;
        }

        _waiterLock.Set();
    }

    public void Dispose()
    {
        _waiterLock.Dispose();
    }
}

Monitor 和 lock 關鍵字

lock 關鍵字是最常使用的同步構造了，lock 可以鎖定一個程式碼塊，保證每次只有一個執行緒訪問執行該程式碼塊，lock 是基於 Montor 實現的，透過 try{...}finally{...} 把程式碼塊包圍起來。

  1. Monitor 是一個靜態類，呼叫 Monitor.Enter(obj) 獲取鎖，呼叫 Monitor.Exit(obj) 釋放。還可以在已經獲取鎖的執行緒上，呼叫 Monitor.Wait(obj) 釋放鎖，同時把執行緒放到等待佇列，其他執行緒可以呼叫 Monitor.Pulse() 或 Monitor.PulseAll() 通知呼叫了 Monitor.Wait() 的執行緒繼續獲得鎖。
    Monitor 支援重入鎖，執行緒一致。
/// <summary>
/// 測試 Monitor.Wait(object)、Monitor.Pulse(object)、Monitor.PulseAll(object)
/// 注意點：
/// 呼叫 Wait()、Pulse()、PulseAll() 也必須先呼叫 Enter() 獲取鎖，退出的時候也必須呼叫 Exit() 釋放鎖
/// </summary>
public void Test()
{
    var lockObj = new object();

    Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("按下 c 呼叫 Monitor.Pulse(object)");

        if (Console.ReadKey().Key == ConsoleKey.C)
        {
            try
            {
                Monitor.Enter(lockObj);
                Monitor.Pulse(lockObj);
            }
            finally
            {
                Monitor.Exit(lockObj);
            }
        }
        Thread.Sleep(500);

        if (Console.ReadKey().Key == ConsoleKey.C)
        {
            try
            {
                Monitor.Enter(lockObj);
                Monitor.PulseAll(lockObj);
            }
            finally
            {
                Monitor.Exit(lockObj);
            }
        }
    });

    Parallel.Invoke(DoWork, DoWork, DoWork);

    void DoWork()
    {
        Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 啟動");
        try
        {
            Monitor.Enter(lockObj);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 獲得 Monitor");
            Thread.Sleep(100);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 呼叫 Monitor.Wait()");
            Monitor.Wait(lockObj);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 重新獲得 Monitor");

        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(lockObj);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 釋放 Monitor");
        }
    }
}
  1. Monitor.Enter(object) 引數是一個 object 型別，代表可以傳入任何型別的引數，所以就有一些細節需要注意。
  • Monitor.Enter(值型別)，涉及到值型別傳參，就必須注意裝箱拆箱的問題。
  • Monitor.Enter(字串)，雖然字串是引用型別，但是字串會留用，所以鎖定同一個字串就會導致互斥。
  • 如果一個例項物件的方法使用了 lock(this)，如果外部呼叫也 lock 這個例項方法，那麼就會死鎖，所以最佳做法是永遠不要 lock(this)。
/// <summary>
/// 測試 Monitor.Enter(字串)
/// 因為字串會被留用，所以會導致不同執行緒間互斥訪問。
/// </summary>
public void Test2()
{
    var mre = new ManualResetEventSlim(false);

    Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("按下 c 啟動");
        if (Console.ReadKey().Key == ConsoleKey.C)
        {
            mre.Set();
        }
    });

    Parallel.Invoke(DoWork, DoWork, DoWork);


    void DoWork()
    {
        mre.Wait();

        try
        {
            Monitor.Enter("1");
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 進入同步程式碼塊");
            Thread.Sleep(1000);

        }
        finally
        {
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 退出同步程式碼塊");
            Monitor.Exit("1");
        }

    }
}

/// <summary>
/// 測試 Monitor.Enter(值型別)
/// 因為 Monitor.Enter(object) 引數是 object，所以值型別必須裝箱，那樣其實就會有問題了。
/// 值型別在堆疊上，沒有引用，引用型別在堆上，有引用，所以裝箱就是在堆上新建一個例項，然後複製棧上值的內容，拆箱就是把堆上例項的值，複製到棧上。
/// </summary>
public void Test3()
{
    var mre = new ManualResetEventSlim(false);
    var i = 1;
    //Object o = i;

    Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("按下 c 啟動");
        if (Console.ReadKey().Key == ConsoleKey.C)
        {
            mre.Set();
        }
    });

    Parallel.Invoke(DoWork, DoWork, DoWork);

    void DoWork()
    {
        mre.Wait();
        object o = i;
        try
        {
            Monitor.Enter(o);
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 進入同步程式碼塊");
            Thread.Sleep(1000);
        }
        finally
        {
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 退出同步程式碼塊");
            Monitor.Exit(o);
        }

    }
}

CountdownEvent

CountdownEvent 是一個混合構造，經常用於 fork/join 等場景，就是等待多個並行任務完成，再執行下一個任務。CountdownEvent 內部會維護一個計數，當計數為 0 時，解除執行緒的阻塞。

  • 呼叫 CountdownEvent.Reset(int) 可以重新初始化 CountdownEvent。
  • 呼叫 Signal() Signal(int count) 把計數減 1 或減 count。
  • 呼叫 AddCount() AddCount(int) 把計數加 1 或加 count。
 public void Test2()
{
    var queue = new ConcurrentQueue<int>(Enumerable.Range(1, 100));
    var cde = new CountdownEvent(queue.Count);

    var doWork = new Action(() =>
    {
        while (queue.TryDequeue(out var result))
        {
            Thread.Sleep(100);
            Console.WriteLine(result);
            cde.Signal();
        }
    });

    var _ = Task.Run(doWork); // fork
    var _2 = Task.Run(doWork); // fork


    var complete = new Action(() =>
    {
        cde.Wait(); // join
        Console.WriteLine($"queue Count {queue.Count}");
    });

    var t = Task.Run(complete);
    var t2 = Task.Run(complete);

    Task.WaitAll(t, t2);


    Console.WriteLine($"CountdownEvent 重新初始化");
    cde.Reset(2); // 呼叫 Reset() 將 cde 重新初始化
    cde.AddCount(10); // 呼叫 AddCount() cde 內部計數 + 1
    var cts = new CancellationTokenSource(1000); // 測試超時機制

    try
    {
        cde.Wait(cts.Token);
    }
    catch (Exception e)
    {
        Console.WriteLine(e);
    }

    cde.Dispose();

}

Barrier

Barrier 是一個混合構造，可以透過 participantCount 來指定一個數值，同時會維護一個內部數值 total，每次呼叫 SignalAndWait() 的時候，阻塞呼叫執行緒，同時把total 加 1，等到 total == participantCount，呼叫 postPhaseAction，透過 postPhaseAction 來確定彙總每個執行緒的資料，並且執行下個階段的工作。
Barrier 適合一種特殊場景，把一個大任務拆分成多個小任務，然後每個小任務又會分階段執行。像是 Parallel 的 Plus 版，如果任務步驟很多，用 Parallel 來分拆很麻煩，可以考慮用 Barrier。

public class BarrierDemo
{
    public void Test()
    {
        var words = new string[] { "山", "飛", "千", "鳥", "絕" };
        var words2 = new string[] { "人", "滅", "徑", "萬", "蹤" };
        var solution = "千山鳥飛絕，萬徑人蹤滅";
        bool success = false;

        var barrier = new Barrier(2, b =>
        {
            var sb = new StringBuilder();
            sb.Append(string.Concat(words));
            sb.Append('，');
            sb.Append(string.Concat(words2));
            
            Console.WriteLine(sb.ToString());
            //Thread.Sleep(1000);
            if (string.CompareOrdinal(solution, sb.ToString()) == 0)
            {
                success = true;
                Console.WriteLine($"已完成");
            }
            Console.WriteLine($"當前階段數：{b.CurrentPhaseNumber}");

        });

        var t = Task.Run(() => DoWork(words));
        var t2 = Task.Run(() => DoWork(words2));

        Console.ReadLine();

        void DoWork(string[] words)
        {
            while (!success)
            {
                var r = new Random();
                for (int i = 0; i < words.Length; i++)
                {
                    var swapIndex = r.Next(i, words.Length);
                    (words[swapIndex], words[i]) = (words[i], words[swapIndex]);
                }

                barrier.SignalAndWait();
            }
        }
    }
}

ReaderWriterLockSlim

ReaderWriterLockSlim 是一個混合構造。一般場景中在讀取資料的時候，不會涉及到資料的修改，所以可以併發讀取，在修改資料的時候，才會涉及到資料的修改，所以應該互斥修改。其他同步構造無論讀取還是修改資料都是鎖定的，所以 .Net 提供了一個讀寫鎖 ReaderWriterLockSlim。
ReaderWriterLockSlim 的邏輯如下：

  • 一個執行緒向資料寫入時，請求訪問的其他所有執行緒都阻塞。
  • 一個執行緒向資料讀取時，請求讀取的其他執行緒允許繼續執行，但是請求寫入的執行緒仍被阻塞。
  • 一個向資料寫入的執行緒結束後，要麼解除一個寫入執行緒(writer)的阻塞，使它能向資料寫入，要麼解除所有讀取執行緒(reader)的阻塞，使它們能夠進行併發讀取。如果沒有執行緒被阻塞，則鎖進入自由狀態，可以被下一個 reader 或者 writer 執行緒獲取。
  • 所有向資料讀取的執行緒結束後，一個 writer 執行緒被解除阻塞，使它能向資料寫入。如果沒有執行緒被阻塞，則鎖進入自由狀態，可以被下一個reader 或者 writer 執行緒獲取。
/// <summary>
/// ReaderWriterLockerSlim 用法
/// </summary>
internal class Transaction2
{
    private DateTime _timeLastTrans;

    public DateTime TimeLastTrans
    {
        get
        {
            _lock.EnterReadLock();
            Thread.Sleep(1000);
            var t = _timeLastTrans;
            Console.WriteLine($"呼叫 ReadLock {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

            _lock.ExitReadLock();
            return t;
        }
    }

    private readonly ReaderWriterLockSlim _lock = new(LockRecursionPolicy.NoRecursion);

    public void PerformTransaction()
    {
        _lock.EnterWriteLock();
        _timeLastTrans = DateTime.Now;
        Console.WriteLine($"呼叫 WriteLock {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        _lock.ExitWriteLock();
    }

    public void Test()
    {
        PerformTransaction();

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => Console.WriteLine(TimeLastTrans));

        PerformTransaction();
        Thread.Sleep(500); // 就算睡眠500ms，在鎖釋放後，依舊先進行讀操作，讀完才有寫操作。
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => Console.WriteLine(TimeLastTrans)); 
    }
}

最後

回顧了一下知識，總結了一下，發現自己又學到不少。下次回顧一下 Task 的知識。
原始碼 https://github.com/yijidao/blog/tree/master/TPL/ThreadDemo/ThreadDemo3

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